常熟虞山桃源澗(青石皮弄)山洪沖擊致澇問題成因分析及泄洪溝改造對策

陶 宏

(常熟市河道管理處， 江蘇 蘇州 215500)

1 工程概況

常熟市位于江蘇省東南部，地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長江三角洲沿江地帶，東倚上海，南連蘇州，西鄰無錫，北瀕長江，與南通隔江相望，距國際大都市上海僅80 km，離蘇州市區(qū)僅38 km，地理位置得天獨厚。境域略成荷葉形，東西寬約49 km，南北距37 km，全市總面積1 264.39 km2(其中長江江灘水域面積106.49 km2)。行政區(qū)劃設(shè)8個建制鎮(zhèn)、6個街道和2個省級開發(fā)區(qū)。

虞山位于常熟市古城區(qū)的西北部，半入古城，山體大致由西北向東南延伸，南北寬約3 km，東西長約7 km，海拔263 m，山脊線長6 400 km，山體最寬處約2 200 km，兩坡不對稱。由山麓至山頂，沿西南坡，距離在1 000 m以內(nèi)，坡度約20°上下，沿東北坡，距離一般超過1 500 m，坡度大都小于10°[1]。虞山山南坡陡，山前塘就在山腳下，因此山洪排泄不成問題；山北坡緩，主要匯水澗溝有桃源澗、石屋澗、破龍澗、聯(lián)珠洞澗、五丈澗、墜石澗、秦坡澗等共11條。山北平原區(qū)地面高程4.5～6 m亦不設(shè)防，虞山北麓和本區(qū)產(chǎn)水通過張家浜、報慈浜、小金浜、白龍港等河道進(jìn)入南福山塘。

桃源澗位于虞山北麓，澗溝長1 500 m，匯水面積約為35 hm2。上部澗身狹長，澗底大石平鋪，大雨后水流急瀉直下，通過青石皮弄泄洪溝最終下泄至城區(qū)內(nèi)河。

青石皮弄泄洪溝位于桃源澗下游，建造于20世紀(jì)80年代，原泄洪通道(見圖1)劃分為a段1 m排水溝(長101 m)——b段DN1200管涵(長44 m)——c段1m溝(長49 m)——d段1.3 m×1.5 m暗涵(長215 m)，下接虞山北路市政排水系統(tǒng)。

2 存在問題及原因分析

青石皮弄泄洪溝建設(shè)年代久遠(yuǎn)，排水通道存在瓶頸，過水?dāng)嗝嫫?，排澇能力?yán)重不足，滿足不了目前防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)和要求，且該段落地勢相對低洼，受桃源澗山洪沖擊易發(fā)生內(nèi)澇，存在安全隱患。

2018年9月17日，受臺風(fēng)“山竹”外圍影響，降雨強(qiáng)度達(dá)到296.5 mm，青石皮弄傳染病醫(yī)院段出現(xiàn)了嚴(yán)重暴雨內(nèi)澇，最大積水深度達(dá)50 cm以上，導(dǎo)致青石皮弄11號周邊50 m道路、民宅輔房及車輛受淹，造成了一定經(jīng)濟(jì)損失。究其原因，主要是以下幾方面因素。

2.1 農(nóng)村轉(zhuǎn)變成城區(qū)，防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足現(xiàn)狀需求

常熟城區(qū)面積最初僅3.04 km2，青石皮弄區(qū)域原隸屬城郊鄉(xiāng)，該鄉(xiāng)環(huán)繞虞山。1983年后加快了城市建設(shè)步伐，以古城為中心向城外東、南、北3個方向擴(kuò)展。至1995年建成區(qū)面積擴(kuò)大到53.83.04 km2(其中城區(qū)23.83.04 km2，虞山、尚湖景區(qū)303.04 km2)，2000年城區(qū)面積擴(kuò)大到60.93.04 km2。隨著時間的推移，青石皮弄周邊民房在60年代逐漸增多，70年代末80年代初期，拆舊建新的戶數(shù)逐年遞增。目前，常熟城區(qū)主要是20世紀(jì)90年代以來城市迅猛向郊區(qū)擴(kuò)展，由原來的農(nóng)村演變而成的，原來的山澗排水通道已成為城市排水通道，早期的防洪標(biāo)準(zhǔn)已不滿足現(xiàn)狀的需求。

2.2 區(qū)域雨水排水系統(tǒng)不暢，排澇能力嚴(yán)重不足

根據(jù)我國現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB 50014—2006)規(guī)定，雨水管渠道設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)采用1～3年，重要地區(qū)采用3～5年，特別重要地區(qū)采用10年或以上。但我國多數(shù)地區(qū)城市雨水排水系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，排澇能力不足，抵御大暴雨的能力小[2]。

桃源澗匯水范圍較廣，匯水面積約35 hm2，遇暴雨期間泄水流量較大，經(jīng)計算，青石皮弄泄洪溝承擔(dān)山洪流量約9 m3/s(表1)，但目前泄洪通道b、c、d段的排水能力不滿足要求(表2)。經(jīng)校核該段現(xiàn)狀管溝僅能滿足1年重現(xiàn)期的山洪。

表1 市政暴雨強(qiáng)度計算公式

表2 現(xiàn)狀泄洪溝極限排水能力計算

2.3 局部區(qū)域地勢低洼，易受地表徑流造成積水

青石皮弄泄洪溝周邊地勢高差較大，位于b段DN1200管涵與c段1 m溝交匯處的青石皮弄11號民房東北角地勢最低，地面高程為5.5 m(黃海高程)，以北中山路地面高程為6.8 m(黃海高程)，以西通行道路路面高程為6.1 m(黃海高程)。當(dāng)泄洪管溝排水能力不足時，洪水外溢形成地面徑流，青石皮弄11號地勢下凹，在此處積澇，房屋室內(nèi)不進(jìn)水，室外路面積水30～50 cm。

3 排水標(biāo)準(zhǔn)計算

3.1 雨水設(shè)計流量

3.1.1 方法選擇

按照《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB50014—2006)關(guān)于雨水量計算方法的要求，對于匯水面積2 km2以內(nèi)的，可采用推理公式法進(jìn)行計算；對于匯水面積大于2 km2的，采用數(shù)學(xué)模型法計算。

根據(jù)調(diào)查，規(guī)劃范圍內(nèi)河網(wǎng)較多，雨水多就近入河排放，每個雨水口的匯水面積一般在1～15 hm2，最大的匯水面積不足30 hm2。故推理公式法是適用的，雨水管渠、泵站及附屬設(shè)施設(shè)計可以采用推理公式法。

3.1.2 雨水設(shè)計流量計算公式

雨水管渠設(shè)計流量按小流域面積推理公式進(jìn)行計算，推理公式為：

Q=ΨqF

(1)

式中：Q為雨水設(shè)計流量，L/s；Ψ為徑流系數(shù)，其數(shù)值小于1；q為設(shè)計暴雨強(qiáng)度，L/(hm2·s)；F為匯水面積，hm2。

3.2 暴雨強(qiáng)度公式

暴雨強(qiáng)度公式是進(jìn)行管網(wǎng)計算的基礎(chǔ)資料，根據(jù)《市政府關(guān)于公布常熟市暴雨強(qiáng)度公式的通知》，新修訂的暴雨強(qiáng)度公式自2013 年5 月1 日起啟用。

(1)市政管渠排水工程建設(shè)暴雨強(qiáng)度公式為：

(2)

式中：q為設(shè)計暴雨強(qiáng)度，L/(hm2·s)；T為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

該公式采用多個樣本擬合得出，為短歷時暴雨強(qiáng)度公式，主要用于降雨歷時較短，設(shè)計重現(xiàn)期較低的市政雨水管渠工程建設(shè)。

(2)城(鎮(zhèn))區(qū)排澇工程建設(shè)暴雨強(qiáng)度公式為：

(3)

該公式采用年最大值法樣本擬合得出，該公式為長歷時暴雨強(qiáng)度公式，主要用于降雨歷時較長，設(shè)計重現(xiàn)期較高的城鎮(zhèn)排澇設(shè)施建設(shè)。

3.3 設(shè)計暴雨重現(xiàn)期

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB50014—2006)，根據(jù)匯水地區(qū)性質(zhì)、城鎮(zhèn)類型、地形特點和氣候特征等因素，綜合考慮城市建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、可實施性確定。

(1)雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期：5年一遇。

(2)內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)：20年一遇。

(3)內(nèi)澇積水的定義：居民住宅和工商業(yè)建筑物底層進(jìn)水或道路中所有車道的積水深度超過15 cm，常熟市達(dá)到上述條件之一，即認(rèn)為發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害。

3.4 降雨歷時

雨水管渠的降雨歷時計算公式為：

t=t1+t2

(4)

式中：t為降雨歷時，min；t1為地面集水時間，min，應(yīng)根據(jù)匯水距離、地形坡度和地面種類計算確定，一般采用5～15 min；t2為管渠內(nèi)雨水流行時間，min。

4 改造措施及效益分析評估

因青石皮弄周邊建筑物較密集，區(qū)域內(nèi)民宅較多，通行弄堂較小，如需泄洪溝改道則涉及拆遷投入巨大，房屋安置周期較長，故短期內(nèi)暫無桃源澗泄洪通道改道的可能。

為解決虞山桃源澗山洪沖擊致澇問題，只能對現(xiàn)有工程進(jìn)行改造，解決現(xiàn)階段排水標(biāo)準(zhǔn)不足的矛盾，故青石皮弄泄洪溝改造工程被列為常熟市2020年度政府民生實事項目——城區(qū)防洪能力和水環(huán)境質(zhì)量提升工程之一。工程項目建設(shè)主要內(nèi)容為：擴(kuò)大青石皮弄泄洪通道，局部加設(shè)防洪墻，新建箱涵、泄洪溝、排水溝等，抬高青石皮弄低洼處路面高程，設(shè)置集水溝收集路面雨水，排入泄洪溝，末端出口設(shè)置拍門防止洪水倒灌。

4.1 擴(kuò)大泄洪通道

擴(kuò)大青石皮弄泄洪通道，a段局部加設(shè)防洪墻，b段采用3 m×1.5 m有壓箱涵，c段采用3 m×1.5 m泄洪溝并設(shè)置防洪墻，d段保留疏通原中山路1.3 m×1.5 m涵洞。

(1)a段

利用原中山路泄洪溝后，因其排水能力不足，水位涌高，形成地面徑流排至虞山北路，青石皮弄泄洪溝水位涌高后，須設(shè)置防洪墻防止山洪倒灌，防洪墻設(shè)置高度110 cm，現(xiàn)狀排水渠改造35 m。

(2) b段

為解決原有管涵過水?dāng)嗝嫫≡斐尚顾款i以及不影響原有道路出行的問題，對原有圓管涵進(jìn)行改建，新建3 m×1.5 m有壓箱涵約44.3 m。

(3)c段

該段區(qū)域內(nèi)原有排水溝寬度僅1.3 m，過水?dāng)嗝嫫?，且沿線路面地表徑流排入溝內(nèi)，為減輕遇強(qiáng)降雨時會對排水溝造成巨大泄洪壓力及道路通行問題，將排水溝渠進(jìn)行拆除并新建為3 m×1.5 m開口箱涵48.7 m。

(4)d段

考慮到中山南路人行道內(nèi)目前有自來水、天然氣、大型喬木、電桿、原泄洪溝等，而車行道內(nèi)施工對交通影響較大，中山南路改擴(kuò)建泄洪溝難度較大，近期保留現(xiàn)狀泄洪溝，對原中山南路1.3 m×1.5 m涵洞并進(jìn)行疏通。因其排水能力有所不足，在造成水位涌高時，超標(biāo)雨水通過地面徑流排至虞山北路2.5 m×2 m涵洞，最終通過湘江西路涵洞排入報慈浜。

4.2 抬高路面高程

將青石皮弄11號低洼處路面高程從原來5.5 m(黃海高程)抬高至5.9 m，并設(shè)置0.4 m×0.5 m集水溝45 m，收集周邊0.6 hm2路面雨水，采用鐵管接入泄洪溝，末端出口設(shè)置拍門防止洪水倒灌。

4.3 項目實施情況

本項目建設(shè)期為2019年12月至2020年6月，項目建設(shè)直接投資為311.21萬元。

該項目通過擴(kuò)大青石皮弄泄洪通道，增大過水?dāng)嗝?，大大改善了區(qū)域防汛排澇安全性，有效解決了桃源澗(青石皮弄)周邊0.08 km2內(nèi)100多戶住宅受山洪下泄影響生活及出行的問題，保障了該區(qū)域有效應(yīng)對桃源澗約9 m3/s的山洪流量(表3)，滿足常熟市局部山丘區(qū)20 年一遇山洪防治標(biāo)準(zhǔn)，最大限度避免因內(nèi)澇產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，切實保障人民群眾生命財產(chǎn)安全和城市正常生產(chǎn)生活秩序。同時，在汛期此路段仍需做好防范和應(yīng)急處理準(zhǔn)備，落實應(yīng)急排水防澇措施，確保安全度汛。

表3 改造后泄洪水力計算

4.4 效益分析

4.4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

由于本工程項目為城市基礎(chǔ)設(shè)施，以服務(wù)于社會為目的，它既是生產(chǎn)部門必不可少的生產(chǎn)條件，又是居民生活的必要條件，對國民經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)為外部效果，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益除部分經(jīng)濟(jì)效益可以定量計算外，大部分則表現(xiàn)為難以用貨幣量化的社會效益。因此，本工程的效益應(yīng)從系統(tǒng)觀點出發(fā)，與提高人民生活水平，改善健康條件以及城市的發(fā)展建設(shè)等宏觀效益結(jié)合在一起來評價。

項目的建設(shè)將大大改善區(qū)域防汛排澇安全性，避免城市內(nèi)澇產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，保證工農(nóng)業(yè)的正常生產(chǎn)及居民的日常學(xué)習(xí)生活，將對改善投資環(huán)境，吸引外資，發(fā)展工業(yè)經(jīng)濟(jì)，提高工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量等起到積極、有效的作用，對促進(jìn)常熟經(jīng)濟(jì)快速持久地發(fā)展具有十分重大的意義。因此，本項目所產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)效益將是巨大的。

4.4.2 社會效益分析

隨著城市的高速發(fā)展和居民生活水平的飛速提高，居民對防洪排澇系統(tǒng)的期望值也越來越高。城市排水防澇工程是城市生命線工程，直接關(guān)系人民群眾生命財產(chǎn)安全，關(guān)系經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展大局。將解決當(dāng)前社會影響較大的嚴(yán)重積水內(nèi)澇問題與構(gòu)建高效完善的城市排水防澇體系結(jié)合起來，切實保障人民群眾生命財產(chǎn)安全和城市正常生產(chǎn)生活秩序，是和諧社會發(fā)展的需要。

此外，本項目的實施將使常熟市樹立起更加良好的形象，區(qū)域環(huán)境條件的改善也將使人民更加安居樂業(yè)，這些都對促進(jìn)社會的安定團(tuán)結(jié)及常熟市社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)步起到重要作用。

5 結(jié) 語

江南地區(qū)的獨具地域特征的道路雨洪問題，決定了道路建設(shè)僅靠地下管網(wǎng)無法滿足城市雨洪管理要求，應(yīng)充分利用自然水文條件[3]，在雨洪管理的科學(xué)理念指引下，采用先進(jìn)的技術(shù)手段和最佳工程經(jīng)驗結(jié)合是高質(zhì)量完成本項目的關(guān)鍵。本項目通過對泄洪溝進(jìn)行防汛排澇措施的改造提升，包括工程和非工程組合，有效改善工程的積澇現(xiàn)象。同時，遠(yuǎn)期還需結(jié)合周邊城區(qū)道路，根據(jù)水流匯集方向，在周邊低洼地區(qū)設(shè)置雨水調(diào)蓄設(shè)施，區(qū)域周邊的人行道、非機(jī)動車道、地面公共停車場等可采用滲透性鋪裝，通過加快海綿城市建設(shè)，減少城市不透水面積，改善城區(qū)下墊面條件，進(jìn)一步增強(qiáng)澇水的蓄儲能力[4]。